第八章 立體化學(xué)v4

第八章立體化學(xué)主要內(nèi)容立體異構(gòu)體：對(duì)映異構(gòu)體和非對(duì)映異構(gòu)體手性分子和非手性分子、手性碳手性碳的構(gòu)型——R型和S型，手性分子的命名；描述立體構(gòu)性的D/L體系立體結(jié)構(gòu)的表示方法，化合物立體結(jié)構(gòu)式的變換方法手性化合物的特性——旋光性（旋光度a、比旋光，外消旋體和內(nèi)消旋體）獲得手性化合物的方法，外消旋體的拆分，不對(duì)稱合成）立體異構(gòu)

由原子或基團(tuán)空間排列或取向不同所產(chǎn)生的異構(gòu)現(xiàn)象。立體化學(xué)(Stereochemistry)——研究有機(jī)化合物三維空間(立體結(jié)構(gòu))，及其對(duì)化合物物理和化學(xué)性質(zhì)的影響；構(gòu)型異構(gòu)、構(gòu)象異構(gòu)和本章的旋光異構(gòu)都是涉及分子立體結(jié)構(gòu)的概念。構(gòu)象異構(gòu)體（可互相轉(zhuǎn)化）構(gòu)型異構(gòu)體（順?lè)串悩?gòu)）（不能相互轉(zhuǎn)化）1.手性分子和非手性分子手性(chirality)：實(shí)物和其鏡像不能重疊的現(xiàn)象手性分子（chiral

molecules）：有手性現(xiàn)象的分子兩者不能重合手性分子鏡像轉(zhuǎn)180o手性分子8.1手性和對(duì)映體手性碳——手性分子的特征連有四個(gè)不同基團(tuán)的碳原子手性碳(chiralcarbon)手性中心(Chiralcenter)手性碳標(biāo)記****例：*非手性分子兩者互相重合非手性分子鏡像轉(zhuǎn)60o非手性分子：與鏡像相重合（非手性分子不含有手性碳）轉(zhuǎn)180o兩者完全重合非手性分子2.手性與分子的對(duì)稱性判斷分子有無(wú)手性——

①

最直接法：用模型來(lái)考察分子與它的鏡象是否重合。②考察分子的對(duì)稱性。一個(gè)分子與它的鏡象是否重合，與分子的對(duì)稱性有關(guān)。分子的對(duì)稱因素：對(duì)稱軸、對(duì)稱面、對(duì)稱中心，n重更替對(duì)稱軸?？疾旆肿拥膶?duì)稱性需考慮分子的對(duì)稱因素對(duì)稱面：對(duì)稱面對(duì)稱面對(duì)稱軸：對(duì)稱中心：n重更替對(duì)稱軸：手性與分子的對(duì)稱性的關(guān)系（無(wú)手性碳）（有手性碳）若分子含有對(duì)稱面或?qū)ΨQ中心，為非手性分子如：有對(duì)稱面和對(duì)稱中心的非手性分子與鏡像重合如果一個(gè)分子沒(méi)有任何一種對(duì)稱因素：對(duì)稱面、對(duì)稱中心或n重更替對(duì)稱軸，這種分子就有手性。一般只考察對(duì)稱面、對(duì)稱中心即可。對(duì)稱軸不能作為分子有無(wú)手性的標(biāo)準(zhǔn).

是一類特殊的構(gòu)型異構(gòu)體---對(duì)映異構(gòu)體(enantiomers)3.對(duì)映異構(gòu)體

一對(duì)互為鏡像且不互相重合的分子。它們的構(gòu)造相同，立體結(jié)構(gòu)不同，屬構(gòu)型異構(gòu)體。分子的手性是存在對(duì)映異構(gòu)體的必要和充分條件。構(gòu)造異構(gòu)constitutional立體異構(gòu)Stereo-碳鏈異構(gòu)官能團(tuán)異構(gòu)位置異構(gòu)構(gòu)型異構(gòu)configurational構(gòu)象異構(gòu)conformational順?lè)串悩?gòu)對(duì)映、非對(duì)映異構(gòu)同分異構(gòu)isomerism單鍵旋轉(zhuǎn)異構(gòu)叔胺翻轉(zhuǎn)異構(gòu)同分異構(gòu)現(xiàn)象小結(jié)：8.2旋光性和比旋光度偏振光偏振光----普通光在通過(guò)尼克爾(Nicol)棱鏡后形成的只在一個(gè)方向振動(dòng)光普通光尼可爾棱鏡偏振光光學(xué)活性(opticalactivity)——物質(zhì)能使偏振光振動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的性質(zhì)叫旋光性(或稱光學(xué)活性)

Opiticallyactive左旋和右旋右旋(dextrorotatory)：使偏振光向順時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)，表示為(d)或(+)

左旋(levorotatory)

：使偏振光向逆時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)，表示為(l)或(–)左旋aa右旋入射光方向入射偏振光石英樣品管旋光度,a（裝有旋光性物質(zhì)）a透射偏振光（已偏轉(zhuǎn)）旋光能力的表示方式——比旋光[a]t[a]t

=at

lcat

:實(shí)驗(yàn)觀察到的旋光度l:樣品管長(zhǎng)度（dm,分米）c

:樣品濃度（g/cm3）t

:測(cè)試時(shí)溫度:波長(zhǎng)specificrotation手性與旋光性的關(guān)系旋光性是手性分子的特性，手性化合物對(duì)偏振光具有旋光作用。一對(duì)對(duì)映體對(duì)偏振光的作用不同，一個(gè)使偏振光向順時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)，另一個(gè)使偏振光向逆時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)，兩者偏轉(zhuǎn)數(shù)值相同。例：(R,R)-(+)-酒石酸(S,S)-(-)-酒石酸旋光異構(gòu)體（對(duì)映異構(gòu)體）旋光儀——小結(jié)：手性，旋光活性，對(duì)映體手性是具有旋光活性的必要條件。手性是存在對(duì)映體的充分和必要條件。對(duì)映體旋光方向相反，旋光能力相同。8.3構(gòu)型的表示法，構(gòu)型的確定和構(gòu)型的標(biāo)記1.

構(gòu)型的表示法——菲舍爾投影式,鍥形式

透視式—(用透視式表示基團(tuán)在空間的排列順序)鍥形實(shí)線表示伸向平面前方的鍵。

鍥形虛線表示伸向平面后方的鍵費(fèi)歇爾投影式國(guó)際命名原則：將碳鏈放在垂直線上，氧化態(tài)較高的碳原子或主鏈上第一號(hào)碳原子在上．以垂直線相連的基團(tuán)表示伸向紙后，即遠(yuǎn)離讀者；以水平線相連的基團(tuán)表示伸出紙前即伸向讀者．注意：投影式是用平面式來(lái)代表三度空間的立體結(jié)構(gòu)．不能任意翻轉(zhuǎn)．費(fèi)歇爾(Fischer)投影式——實(shí)例：乳酸分子楔形透視式轉(zhuǎn)換為費(fèi)歇爾(Fischer)投影式橫向基團(tuán)位于平面的前方豎向基團(tuán)位于平面的后方鍥形實(shí)線表示伸向平面前方的鍵。

鍥形虛線表示伸向平面后方的鍵鞏固練習(xí)：鍥形式Fischer投影式鍵的方向？復(fù)習(xí)構(gòu)象的表示方法：紐曼投影式透視式紐曼式Newman）透視式（鋸架式）實(shí)例：紐曼投影式和鋸架透視式2.構(gòu)型的確定—手性碳的相對(duì)構(gòu)型(D-L標(biāo)記)(Ⅰ)(Ⅱ)D-（+）-甘油醛L-（-）-甘油醛人為地規(guī)定右旋甘油醛的構(gòu)型以(Ⅰ)式表示(即手性碳原子上的羥基的投影在右邊)，叫做D型；左旋甘油醛的構(gòu)型就是(Ⅱ)式，羥基的投影在左邊，叫做L型。

1951年以前，還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)方法可以測(cè)定分子中基團(tuán)在空間的排列狀況，便以甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)做了人為的規(guī)定。旋光方向與D,L(構(gòu)型)之間沒(méi)有固定的關(guān)系，一個(gè)D型的化合物，可以是左旋的，也可以是右旋的。D：人為規(guī)定

-：儀器測(cè)定D-（+）-甘油醛D-（-）-乳酸用這種旋光化合物之間相互轉(zhuǎn)化的方法確定構(gòu)型時(shí)，必須不發(fā)生與手性碳原于相連的鍵的斷裂。構(gòu)型的確定

相對(duì)構(gòu)型

(Relativeconfiguration)——theconfigurationofacompoundrelativetotheconfigurationofanothercompound——人為規(guī)定,并不是實(shí)際測(cè)出來(lái)的?；瘜W(xué)關(guān)聯(lián)法：以人為規(guī)定的甘油醛構(gòu)型為基礎(chǔ)，用一定的化學(xué)方法，將其它旋光化合物構(gòu)型與甘油醛聯(lián)系起來(lái)，以確定其它旋光化合物的構(gòu)型，即相對(duì)構(gòu)型。實(shí)例：

用D，L表示構(gòu)型，對(duì)于碳水化合物及氨基酸非常方便，因此這兩類化合物的構(gòu)型仍用D，L表示?；鶞?zhǔn)物D-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛D-(+)-葡萄糖D-(-)-乳酸L-(+)-乳酸絕對(duì)構(gòu)型(AbsoluteConfiguration)——theactualthree-dimensionalstructureofachiralcompound絕對(duì)構(gòu)型的測(cè)定

——X-射線單晶衍射(1950年）。1951年，用x射線衍射的方法可以測(cè)定分子中基團(tuán)在空間的排列狀況，R、S標(biāo)定，

——化學(xué)關(guān)聯(lián)法相對(duì)構(gòu)型(Relativeconfiguration)——theconfigurationofacompoundrelativetotheconfigurationofanothercompound——人為規(guī)定,并不是實(shí)際測(cè)出來(lái)的。（+）和（-）并不對(duì)應(yīng)于（R）和（S）相對(duì)構(gòu)型和絕對(duì)構(gòu)型3.手性碳的絕對(duì)構(gòu)型——R/S標(biāo)記方法，手性化合物的命名例：2-丁醇選擇優(yōu)先順序最小的原子或基團(tuán)遠(yuǎn)離觀察者，其余原子或基團(tuán)依優(yōu)先順序排列(S)-2-丁醇(R)-2-丁醇有一個(gè)手性碳沿C-H方向S型（逆時(shí)針?lè)较颍㏑型（順時(shí)針?lè)较颍┗鶊F(tuán)的優(yōu)先順序（Cohn-Ingold-Prelog定序規(guī)則）（1）原子序數(shù)大者優(yōu)先，同位素質(zhì)量大者優(yōu)先如：I>Br>Cl>S>P>F>O>N>C>D>H（2）基團(tuán)的第一個(gè)原子相同時(shí)，比較與其相連的下一個(gè)原子如：-CH2CH3>-CH3-CH2Cl>-CH2F

-CH2OCH3>-CH2OH

-CH(CH3)2>-CH2CH(CH3)2（3）對(duì)不飽和基團(tuán)，可認(rèn)為與同一原子連接2或3次如：例:例:比較以下基團(tuán)的優(yōu)先順序12例:2,3-丁二醇的三個(gè)立體異構(gòu)體的命名非手性分子S型S型(2S,3S)-2,3-丁二醇

手性化合物的命名R型R型S型S型(2S,3R)-2,3-丁二醇或(2R,3S)-2,3-丁二醇(2R,3R)-2,3-丁二醇非手性分子R/S標(biāo)記方法也可直接用于Fischer投影式

烯烴順?lè)礃?biāo)記：Z,E順-1,3-二甲基環(huán)戊烷反-1,3-二甲基環(huán)戊烷cis環(huán)烷的順?lè)礃?biāo)記：cis,transtrans復(fù)習(xí)烯烴、環(huán)烷順?lè)礃?gòu)型的標(biāo)記法要求：R,S命名、楔形式、紐曼式、費(fèi)歇爾式相互轉(zhuǎn)換能直接從紐曼投影式、楔形透視式、鋸架透視式或費(fèi)歇爾式標(biāo)定R、S構(gòu)型。交叉式重疊式Newman投影式鋸架式到Newman投影式轉(zhuǎn)化鋸架式到Fisher投影式的轉(zhuǎn)化Fisher投影式實(shí)例：

(1)

(2)

(3)

鞏固練習(xí)：寫出下列化合物的費(fèi)歇爾投影式。

(2)

(3)

鞏固練習(xí)：用費(fèi)歇爾投影式畫(huà)出下列化合物的構(gòu)型

(1)

(2)2-氯－（4S）－2-（E）－2-戊烯

鞏固練習(xí)：將下列化合物的費(fèi)歇爾投影式畫(huà)成扭曼投影式(順疊和反疊)，并畫(huà)出它們的對(duì)映體的相應(yīng)式子。⑴分子只含有一個(gè)手性碳，8.4有機(jī)化合物的對(duì)映異構(gòu)體含有一個(gè)手性碳原子的化合物即Cabcd型的化合物都有兩個(gè)對(duì)映異構(gòu)體(R、S)

，其中一個(gè)是右旋體，一個(gè)是左旋體。外消旋體：外消旋體——等量的左旋體和右旋體的混合物例：（旋光性相互抵消——消旋）產(chǎn)物無(wú)旋光性外消旋體性(racemicmixture)（）()-2-溴丁烷外消旋體表示方式如何拆分？p1642,3-戊二醇⑵

分子含有二個(gè)手性碳——二個(gè)不同手性碳原子2,3-戊二醇的兩對(duì)對(duì)映體非對(duì)映異構(gòu)體：

p169非對(duì)映異構(gòu)體可以用一般的物理方法將它們分離開(kāi)來(lái)。(3)分子含有二個(gè)手性碳——二個(gè)相同手性碳原子：酒石酸只有三種異構(gòu)體，右旋體，左旋體和內(nèi)消旋體

例：內(nèi)消旋體——有手性碳，但分子有對(duì)稱面(p170)(R,S)-meso-酒石酸內(nèi)消旋體表示方法分子有對(duì)稱面，無(wú)旋光性。一個(gè)手性碳的旋光性正好被分子內(nèi)另一構(gòu)型相反的手性碳所抵消內(nèi)消旋體(mesocompounds)不能說(shuō)凡是含有手性碳原子的分子是手性分子。手性碳與立體異構(gòu)體數(shù)目的關(guān)系：

若分子有n

個(gè)手性碳，理論上有

2n

個(gè)立體異構(gòu)體（2n/2對(duì)對(duì)映體。若手性碳組成相同，數(shù)目有所減少。(4)分子含有二個(gè)以上手性碳，情況較為復(fù)雜非手性分子,內(nèi)消旋體（有對(duì)稱面）手性分子(為對(duì)映體)相同組成的手性碳優(yōu)先順序：R型>S型假手性碳的構(gòu)型（用r/s表示）差向異構(gòu)體:

(p171)小結(jié)：外消旋體非對(duì)映異構(gòu)體內(nèi)消旋體差向異構(gòu)體連二烯型（含有兩個(gè)互相垂直的平面）比較：與鏡像無(wú)法重合，是手性分子有對(duì)稱面，為非手性分子(5)一些不含手性碳的手性分子聯(lián)苯型(位阻型)大基團(tuán)使單鍵旋轉(zhuǎn)受阻螺環(huán)等其它不含手性碳化合物的對(duì)映異構(gòu)(6)

環(huán)狀化合物的立體異構(gòu)現(xiàn)象比鏈狀化合物復(fù)雜，往往順、反異構(gòu)和對(duì)映異構(gòu)同時(shí)存在。在研究環(huán)己烷衍生物的立體異構(gòu)時(shí)，對(duì)構(gòu)象引起的手性現(xiàn)象可以不予考慮，而只要考慮順、反異構(gòu)和對(duì)映異構(gòu)，并可以直接用平面六角形來(lái)觀察，這樣仍可得到同樣正確的。環(huán)己烷衍生物分子在不斷熱運(yùn)動(dòng)中，由于構(gòu)象轉(zhuǎn)變?nèi)绱搜杆?，且它不是以造成化學(xué)鍵的斷裂，∴不影響分子的R、S構(gòu)型。(7)季銨陽(yáng)離子和季鏻陽(yáng)離子8.5對(duì)映異構(gòu)體的性質(zhì)外消旋體的拆分

旋光方向相反，其他物理性質(zhì)如：熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、相對(duì)密度、比旋光度以及在非手性試劑的作用是完全相同的。生物生理性質(zhì)——手性分子與手性生物受體之間的相互作用

一對(duì)對(duì)映體只有其中一個(gè)適合進(jìn)入一個(gè)特定受體靶位，產(chǎn)生生理效應(yīng)。對(duì)于生物體，一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體的作用可能正好相反。1.

對(duì)映異構(gòu)體的性質(zhì)例如：(S)-天冬酰胺苦味(R)-天冬酰胺甜味麻醉劑致痙攣巴比吐酸衍生物(R)型,有效，不致畸形(S)型，致畸形Thalidomide(反應(yīng)停)——鎮(zhèn)靜和止吐藥物(-)-L-DOPA

治療帕金森氏病(+)-D-DOPA在體內(nèi)集聚，不能被代謝2.

外消旋體的拆分（Resolution）巴斯德，L.LouisPasteur(1822～1895)1848年，巴斯德借助放大鏡拆分外消旋的酒石酸鈉銨儀器拆分（GC,HPLC…）HPLC用手性柱GC用手性柱化學(xué)法拆分常用拆分試劑天然手性生物堿：(-)-馬錢子堿、(-)-奎寧、(-)-番木鱉堿、

(+)-

辛可寧手性酸：酒石酸、樟腦磺酸例:外消旋a-苯乙胺的化學(xué)拆分接下頁(yè)在甲醇中溶解性差接上頁(yè)化學(xué)法拆分最適合于酸或堿的外消旋體的拆分。酶解法拆分（利用酶的選擇性反應(yīng)進(jìn)行拆分）例:DL-丙氨酸的酶解拆分選擇性去乙酰基8.6不對(duì)稱合成，立體選擇反應(yīng)與立體專一反應(yīng)

一鹵代物為等量的對(duì)映體混合物無(wú)光學(xué)活性？由非手性化合物合成手性化合物時(shí)產(chǎn)物是外消旋體p173用自由基反應(yīng)的立體化學(xué)解釋——

若在反應(yīng)時(shí)存在某種手性條件，則手性碳原子形成時(shí)，兩種構(gòu)型的生成機(jī)會(huì)不一定相等，即該手性中心的形成有立體選擇性。p173例1：手性底物控制選擇性在已有一個(gè)手性中心的分子中引入第二個(gè)手性中心時(shí)，得到不等量的非對(duì)映異構(gòu)體，第二個(gè)手性中心形成有立體選擇性。例2：手性底物例3：前手性分子手性試劑(催化劑)控制選擇性WilliamS.KnowlesRyojiNoyoriK.BarrySharplessTheNobelPrizeinChemistry2001"fortheirworkonchirallycatalysedhydrogenationreactions""forhisworkonchirally